Netværk af nano-biosensorer til trådløs kommunikation i blodet

Biologiske computermaskiner, såsom mikro- og nanoimplantater, der kan indsamle vigtig information inde i den menneskelige krop, transformerer medicin. Alligevel har det vist sig at være udfordrende at netværke dem til kommunikation. Nu har et globalt team, inklusive EPFL-forskere, udviklet en protokol, der muliggør et molekylært netværk med flere transmittere.

Først var der Internet of Things (IoT), og nu, i grænsefladen mellem datalogi og biologi, lover Internet of Bio-Nano Things (IoBNT) at revolutionere medicin og sundhedspleje. IoBNT refererer til biosensorer, der indsamler og behandler data, nano-skala Labs-on-a-Chip, der kører medicinske tests inde i kroppen, brugen af ​​bakterier til at designe biologiske nano-maskiner, der kan detektere patogener, og nano-robotter, der svømmer gennem blodbanen for at udføre målrettet lægemiddellevering og behandling.

"Samlet set er dette et meget, meget spændende forskningsfelt," forklarede adjunkt Haitham Al Hassanieh, leder af Laboratory of Sensing and Networking Systems i EPFL's School of Computer and Communication Sciences (IC). "Med fremskridt inden for bioteknik, syntetisk biologi og nanoteknologi er tanken, at nano-biosensorer vil revolutionere medicin, fordi de kan nå steder og gøre ting, som nuværende enheder eller større implantater ikke kan," fortsatte han.

Men uanset hvor spændende dette banebrydende forskningsfelt er, er der stadig en enorm, grundlæggende udfordring – når du har en nano-robot i en andens krop, hvordan vil du så kommunikere med den? Traditionelle teknikker, som trådløse radioer, fungerer godt til store implantater såsom pacemakere eller defibrillatorer, men kan ikke skaleres til mikro- og nanodimensioner, og trådløse signaler trænger ikke gennem kropsvæsker.

Indtast det, der bliver kaldt biomolekylær kommunikation, inspireret af kroppen selv. Det bruger ikke elektromagnetiske bølger, men biologiske molekyler både som bærere og som information, der efterligner de eksisterende kommunikationsmekanismer i biologi. I sin enkleste form koder den "1" og "0" bits ved at frigive eller ikke frigive molekylære partikler i blodbanen – svarende til ON-OFF-tasting i trådløse netværk.

"Biomolekylær kommunikation er dukket op som det bedst egnede paradigme til netværk af nano-implantater. Det er en utrolig idé, at vi kan sende data ved at indkode dem i molekyler, som derefter går gennem blodbanen, og vi kan kommunikere med dem, vejlede dem om, hvor de skal hen og hvornår de skal frigive deres behandlinger, ligesom hormoner," sagde Al Hassanieh.

For nylig præsenterede Al Hassanieh og hans team i samarbejde med forskere i USA deres papir, "Towards Practical and Scalable Molecular Networks," på ACM SIGCOMM 2023, en årlig konference om datakommunikation, hvor de skitserede deres MoMA (Molecular Multiple). Access) protokol, der muliggør et molekylært netværk med flere transmittere.

"Det meste eksisterende forskning er meget teoretisk og virker ikke, fordi teorierne ikke har overvejet biologi," forklarede Al Hassanieh. "For eksempel, hver gang hjertet pumper, kommer der et jitter, og kroppen ændrer sin interne kommunikationskanal. De fleste eksisterende teorier antager, at den kanal, som du sender molekylerne over, er meget stabil og ændrer sig ikke. Den ændrer sig faktisk meget hurtigt."

Med MoMA introducerede holdet pakkedetektering, kanalestimering og kodnings-/afkodningsskemaer, der udnytter de unikke egenskaber ved molekylære netværk til at løse eksisterende udfordringer. De evaluerede protokollen på en syntetisk eksperimentel testleje - emulerede blodkar med rør og pumper - og demonstrerede, at den kan skalere op til fire sendere, mens den overgår den avancerede teknologi betydeligt.

Forskerne anerkender, at deres nuværende syntetiske testbed måske ikke fanger alle de udfordringer, der er forbundet med at designe protokoller til molekylære netværk, og at in vivo-testning af mikroimplantater og mikrovæsker i våde laboratorier er nødvendige for at opnå praktiske og deployerbare molekylære netværk. De mener dog, at de har taget de første skridt hen imod denne vision, og at deres indsigt i at designe molekylære netværk vil holde, da de underliggende diffusions- og væskedynamikmodeller i deres testbed er fundamentale for molekylær kommunikation

"Jeg er meget begejstret for dette område, fordi det er en ny form for kommunikation. Vi er en systemgruppe, vi kan lide at bygge ting og få dem til at fungere. Det har taget tid at udvikle den ekspertise, vi har inden for biomolekylær kommunikation, men nu er vi på scenen hvor vi finder samarbejdspartnere og kan få tingene til at bevæge sig. Folk tror, ​​det er science fiction, men det bevæger sig hurtigt til videnskabsfakta, konkluderede Al Hassanieh.

Flere oplysninger: Jiaming Wang et al., Towards Practical and Scalable Molecular Networks, Proceedings of the ACM SIGCOMM 2023 Conference (2023). DOI:10.1145/3603269.3604881

Leveret af Ecole Polytechnique Federale de Lausanne